Адаптивне рамне кріплення гірничих виробок

1. Адаптивне рамне кріплення гірничих виробок, яке складається з окремих сталевих рам, до складу яких входять верхняк, бічні та середній стояки і вузли, що їх з'єднують, яке відрізняється тим, що рама кріплення оснащена посиленим верхняком, розмір якого подовжений за рахунок розвантажуючих консолей, що передбачені з обох боків від місця опору бічних стояків, і шарнірнопіддатливими вузлами, які складаються з проміжного пересувного елемента, що виконаний у вигляді відрізка спецпрофілю, який вставлений усередину верхняка і контактує з ним по бокових поверхнях, опорного ребра-ексцентрика та планки, яка жорстко з'єднана знизу в тавр з опорним ребром-ексцентриком, а зверху з фланцями проміжного елемента, і скріплена з верхняком із можливістю горизонтального переміщення; а шарнірнопіддатливі вузли з'єднують верхняк з кожним із бічних стояків, які у верхній частині мають опорні U 2 (19) 1 3 піддатливості. При цьому стояки з верхняком з'єднують з використанням башмака, який шарнірне контактує зі стояком і може переміщуватися у горизонтальному напрямку при його повороті (А.С. СРСР №383835, МПК E21D 11/14, опубл. 23.05.1973, Бюл. №24). Таке кріплення можна застосовувати в умовах вертикального і бічного гірського тиску, встановлюючи його з розпорем рами у вертикальному й боковому напрямах. Але зусилля між верхняком і бічними стояками у цьому випадку передаються не ексцентричне і тому вузол не в змозі перерозподіляти бокові та вертикальні навантаження. Крім того, шарнірність вузла з'єднання верхняка зі стояком досягається за рахунок сферичних виступів на башмаках, які при силовій взаємодії з фланцями спецпрофілю зімнуться, тому під час нерівномірних зміщень бокових порід рама може втратити стійкість. Найбільш близьким за технічною суттю та результатом, що досягається, є спосіб монтажу рамного піддатливого кріплення з розпорем у вертикальному і горизонтальному напрямах, який передбачає вузол піддатливості з ексцентричною передачею навантаження від бічних стояків верхняку (Патент України №35719А, опубл. 16.04.2001, Бюл. №3). Недоліком цього кріплення є те, що потрібний перерозподіл навантаження на раму відбувається лише з боків на верхняк. Це призведе до його додаткового навантаження, причому зменшення бокового тиску за рахунок вертикального навантаження у цьому разі не можливе. Тому верхняк буде переобтяжений значними зусиллями, особливо при прогоні більш 4м, внаслідок чого шахтний спецпрофіль буде деформуватися і скручуватися. Крім того, вузол бокової піддатливості цього кріплення не має шарнірності і має дуже незначний опір горизонтальним зусиллям, бо його опірність визначається лише тертям планки на фланцях спецпрофілю. Тому таке кріплення в умовах бокового тиску і при повороті стояка є непрацездатним. Технічною задачею винаходу є створення такого рамного кріплення гірничих виробок, яке за рахунок позацентрового прикладання зусиль по відношенню до центральної вісі бічних стояків і верхняка, регулювання режиму роботи вузла для з'єднання бічних стояків і верхняка, підвищення опірності вузла та верхняка і наявності розвантажуючих консолей буде спроможне адаптуватися до проявів гірського тиску, що дозволить створити у стояках і верхняку внаслідок вигину розвантажуючі моменти та прогини у напрямах, протилежних дії сил гірського тиску, і, тим самим, зменшити згинальні моменти у верхняку та бічних стояках. Це дасть змогу одночасно знизити витрати матеріалів на кріплення виробок і підвищити надійність їх експлуатації. Поставлене завдання досягається тим, що рамне кріплення гірничих виробок, яке складається з окремих сталевих рам, до складу яких входять верхняк, бічні та середній стояки і вузли, що їх з'єднують, згідно з винаходом, оснащене посиленим верхняком, розмір якого подовжений за рахунок розвантажуючих консолей, що передбачені з 45127 4 обох боків від місця опору бічних стояків, і шарнірно-піддатливими вузлами, які складаються за проміжного пересувного елемента, що виконаний у вигляді відрізка спецпрофіля, який вставлений усередину верхняка і контактує з ним по боковим поверхням, опорного ребра-ексцентрика та планки, яка жорстко з'єднана знизу з опорним ребром, а зверху з фланцями проміжного елемента, і скріплена з верхняком із можливістю горизонтального переміщення, а шарнірно-піддатливі вузли з'єднують верхняк з кожним із бічних стояків, які у верхній частині на торці зрізані паралельно днищу проміжного елемента і мають опорні консолі у вигляді планок-ексцентриків, котрі жорстко скріплені з бічним стояком і по криволінійній поверхні контактують із днищем проміжного пересувного елемента, в той же час через днище спецпрофілю бічні стояки в одній точці спираються на криволінійну поверхню опорного ребра-ексцентрика, а під час взаємодії кріплення з породним масивом ексцентричне передають вертикальні та бокові зусилля, пристосовують кріплення до зміщень породного контуру виробки і перерозподіляють навантаження у залежності від проявів гірського тиску таким чином, щоб бокова складова гірського тиску протидіяла вертикальній, а вертикальна - боковому тиску. Крім того, згідно з винаходом, ексцентрики вузлів, які шарнірно з'єднують верхняк із бічними стояками, виконують з такими контактними поверхнями, кривизна яких залежить від співвідношення бокового і вертикального гірського тиску і забезпечує при повороті бічних стояків та пересуванні проміжного елемента більш інтенсивне зменшення ексцентриситету прикладення вертикальної сили, ніж ексцентриситету прикладення бокової сили, аж до контакту вузла з обмежувачем горизонтальних переміщень. Адаптивне рамне кріплення пояснюється за допомогою креслень. На Фіг.1 наведено загальний вид рами, а на Фіг.2 - шарнірно-піддатливий вузол з'єднання бічного стояка з верхняком. Рама кріплення виготовлена із шахтного спеціального взаємозамінюваного профілю (СВП) і складається з верхняка 1, довжина якого дорівнює ширині виробки прямокутної форми начорно; двох бічних збірних стояків, які виконані з нижнього 2 та верхнього 3 криволінійних відрізків СВП, з'єднаних внапуск вузлами 4 вертикальної піддатливості з підвищеним опором; проміжного прямолінійного стояка, який також складається з нижнього 5 і верхнього 6 елементів, з'єднаних внапуск двома вузлами 4 вертикальної піддатливості з підвищеним опором; двох вузлів 7 горизонтальної піддатливості; двох міжрамних стяжок 8 для надання рамам поздовжньої стійкості. Для з'єднання верхняка 1 зі стояками його монтують відкритою частиною профілю усередину виробки, а опірний кінець верхніх елементів (3 і 5) стояків здавлюють так, щоб він входив усередину профілю верхняка 1. Бічні стояки виконані криволінійними для утворення моментів, протилежних моментам від бокового гірського тиску, для цього також слугують розвантажуючі консолі 9 верхняка 1, які сприяють утворюванню у межах прогону верхняка 1 згинальних моментів, протилежних моментам від гірського тиску з покрі 5 влі виробки. Для підсилення опору вигину верхняка 1 і крутильних характеристик профілю в межах прогону до фланців профілю врозгін приварені планки 10, крайня з яких слугує обмежувачем 11 переміщень вузла 7. У разі переміщення вузла 7 горизонтальної піддатливості розмір розвантажуючих консолей 9 верхняка 1 збільшується, а на сполученні з лавою вони з'єднуються з кріпленням очисної виробки. Для забезпечення можливості додаткового регулювання режиму роботи кріплення, а також для горизонтальної піддатливості і шарнірності з'єднання верхняка 1 й з бічними стояками 3 опорний вузол 7 виконаний шарнірно-піддатливим і розбірним, що дає змогу під час взаємодії кріплення з масивом гірських порід пристосовуватися до зміщень породного контуру виробки шляхом змінювання конфігурації рами і площі поперченого перерізу виробки у світлі за рахунок повороту стояків, зменшення прогону верхняка 1 і висоти рами. Крім того, конструкція вузла 7 забезпечує можливість монтажу рами з розпорем у боки і покрівлю виробки. Шарнірно-піддатливий вузол 7 складається з проміжного пересувного елемента 12, який виконаний у вигляді відрізка спецпрофілю, що вставляється усередину верхняка 1 і з силою контактує з ним по боковим поверхням за рахунок розклинювання спецпрофілів, опорного ребра-ексцентрика 13, та планки 14, яка приварена до проміжного елемента 12 і опорного ребра 13 і скріплена із верхняком 1 скобами 15 та гайками 16 з можливістю переміщення під дією бокової складової сил гірського тиску, якщо вона буде більшою за опірність вузла у режимі піддатливості. Для позацентрового передавання бокового навантаження на верхняк 1 верхній елемент 3 стояка днищем контактує з опорним ребромексцентриком 13 по його криволінійній поверхні, причому ексцентриситет ег між точкою прикладання горизонтальної сили і центрального віссю верхняка 1 змінюється під час повертання бічного стояка 3 і переміщення проміжного елемента 12. Для ексцентричного передавання навантаження від верхняка 1 на бічні стояки 3 на кінці кожного з них жорстко закріплюють планку-ексцентрик 17, котра має криволінійну поверхнюконтактування з проміжним елементом 12 і взаємодіє з ним у одній точці, причому ексцентриситет eв між точкою прикладання вертикальної сили і центральною віссю стояка 3 також змінюється під час повертання бічного стояка 3 і переміщення елемента 12 до самого упора в обмежувач деформацій 11. Для надання вузлу 7 шарнірності верхні елементи 3 бічних стояків зрізані під таким кутом, щоб їх торець був паралельним днищу проміжного 12 елемента, а планка - ексцентрик 17 має прорізь, якою вона надіта на днище шахтного спецпрофілю і щільно вставлена між здавленими стінками профілю верхнього елемента 3 стояка аж до місця передавання горизонтального зусилля на опорне ребро-ексцентрик 13. При цьому зварювання виконується як по довгій внутрішній і короткій зовнішній поверхнях контакту з днищем спецпрофіля, так і між здавленими стінками спецпрофілю верх 45127 6 нього елемента 3 стояка. Криволінійні контактні поверхні опорного ребра-ексцентрика 13 і консольної планки-ексцентрика 17 виконують з такою кривизною, щоб ексцентриситет прикладання вертикальної сили ев зменшувався хутчіше, ніж ексцентриситет прикладання бокової сили ег. Кріплення є адаптивним, бо його параметри пристосовуються до проявів гірського тиску і властивостей гірських порід не лише за рахунок попереднього вибору щільності встановлення рам, вертикальної піддатливості і опірності вузлів 4, номера спецпрофіля і кривизни бічних стояків, але і додатково вибираються заздалегідь та призначаються під час експлуатації кріплення, а саме за рахунок зусиль попереднього і подальших розпорів рами у вертикальному та боковому напрямах і, як наслідок, ущільнення зруйнованих порід і підвищення їх опірності; горизонтальної піддатливості і опору вузла 7; довжини розвантажуючих консолей 9, яка зростає внаслідок розвитку деформацій в масиві гірських порід; величини ексцентриситетів прикладання сил у вузлі 7 та їх співвідношення, які змінюються під час роботи кріплення; опору верхняка 1 згинальним і крутильним зусиллям. Встановлюють адаптивне кріплення з попереднім розпором рами у два етапи: спочатку між покрівлею і підошвою виробки шляхом силового розсовування верхніх (3 і 5) та нижніх (2 і 6) елементів бічних і середнього стояків за допомогою домкратів, які монтують на вузлах 4 вертикальної піддатливості, а потім у боки та покрівлю з деяким відставанням від вибою виробки шляхом переміщення проміжного елемента 12 і повороту бічних стояків 3 за допомогою домкратів, які підвішують до верхняка 1. Кріплення працює таким чином. Вертикальний тиск на консолі 9 та позацентрове прикладання горизонтальної сили від бічних стояків через вузол 7 на верхняк 1 створюють у його прогонній частині прогин і момент, який має зворотній напрям порівняно з моментом від дії навантаження з боку покрівлі у межах прогону. В той же час позацентрове передавання зусиль від верхняка 1 через вузли 7 на бічні стояки і їх криволінійність призводять до формування в них згинальних моментів та прогинів у напрямках, протилежних моментам від навантаження гірських порід з боків виробки. Під дією цих моментів і прогинів опір силам гірського тиску підвищується, а активна складова навантаження на кріплення зменшується. Регулювання параметрів кріплення дозволяє керувати напруженодеформированим станом масиву гірських порід навколо виробки і внутрішніми зусиллями в елементах рами залежно від умов проведення та експлуатації виробки. Тим самим, завдяки запропонованому кріпленню сили гірського тиску діють самі проти себе, тобто бокова складова протидіє вертикальній, а вертикальна складова - боковому тиску. Більш того, таке адаптивне кріплення спроможне пристосовуватися до проявів гірського тиску, утікає від підвищених навантажень і перерозподіляє їх у раціональний спосіб, прямуючи, таким чином, до рівноважного стану з масивом гірських порід. 7 45127 Запропоноване рамне кріплення гірничих виробок є ресурсозберігаючим, воно дає можливість значно зменшити витрати кріпильних матеріалів і Комп’ютерна верстка М. Ломалова 8 за рахунок більш повного використання несучої здатності гірських порід суттєво підвищити надійність гірничих виробок. Підписне Тираж 28 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601